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Forschende aus Regensburg und Birmingham überwinden eine fundamentale Grenze der optischen Mikroskopie. Mithilfe quantenmechanischer Effekte gelingt es ihnen erstmals, optische Messungen mit atomarer Auflösung durchzuführen.
Forschende aus Regensburg und Birmingham überwinden eine fundamentale Grenze der optischen Mikroskopie. Mithilfe quantenmechanischer Effekte gelingt es ihnen erstmals, optische Messungen mit atomarer Auflösung durchzuführen.
Ob Smartphone-Kamera oder Weltraumteleskop – der Wunsch, immer feinere Details sichtbar zu machen, treibt den technischen Fortschritt seit jeher an. Doch beim Blick in immer kleinere Dimensionen stößt die Optik an eine grundlegende Grenze: das Licht selbst. Da sich Licht wie eine Welle verhält, lässt es sich aufgrund von Beugung nicht beliebig stark fokussieren. Herkömmliche optische Mikroskope können deshalb keine Strukturen auflösen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Damit blieb die direkte optische Beobachtung der elementaren Bausteine der Materie bislang außer Reichweite.
Forschende am Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy und an der Universität Birmingham haben einen neuen Weg gefunden, diese Grenze zu überwinden. Mit einem kommerziellen Dauerstrichlaser ist es ihnen gelungen, optische Messungen auf Längenskalen durchzuführen, die mit der Größe einzelner Atome vergleichbar sind.
Möglich wird dies durch eine extrem scharfe Metallspitze, die bis auf einen Abstand kleiner als ein Atomradius an die Probenoberfläche angenähert wird. Ein Infrarotlaser beleuchtet das System und konzentriert das Licht in den winzigen Spalt zwischen Spitze und Oberfläche, wodurch die klassische Beugungsgrenze umgangen wird. Die erreichbare räumliche Auflösung entspricht dabei in etwa dem Krümmungsradius des Spitzenapex und liegt typischerweise bei rund 10 Nanometern.
Obwohl dies bereits eine enorme Verbesserung gegenüber konventionellen Fernfeldmethoden darstellt, reicht diese Auflösung noch nicht aus, um atomare Strukturen sichtbar zu machen. Auf der Suche nach der ultimativen Auflösungsgrenze näherten die Forschenden die Spitze schrittweise weiter an die Oberfläche an. Was dann geschah sprengte jegliche Erwartungen der Forschenden: „Bei extrem kleinen Abständen nahm das Signal plötzlich enorm zu“, berichtet Felix Schiegl von der Universität Regensburg. „Zunächst war uns die Ursache vollkommen unklar. Die eigentliche Überraschung kam, als wir feststellten, dass wir Strukturen auf atomarer Längenskala bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern messen konnten.“
Der Schlüssel zum Verständnis dieses Effekts liegt in der Quantenmechanik. Auch wenn sich Spitze und Oberfläche im klassischen Sinn nicht berühren, können Elektronen quantenmechanisch zwischen den Beiden tunneln. Das oszillierende elektrische Feld des infraroten Lichts führt zu einer periodischen Bewegung von tunnelnden Elektronen zwischen Spitze und Probe. Analog zu schwingenden Elektronen in einer Antenne erzeugt diese Bewegung elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Nahfeld-optische Tunnelemission (englisch: „Near-Field Optical Tunneling Emission“, NOTE).
„Es ist erstaunlich, dass bereits ein Elektron, das sich nur alle hundert Lichtzyklen über eine Distanz bewegt, die kleiner ist als ein Atomdurchmesser, ein messbares optisches Signal erzeugen kann“, sagt Dr. Tom Siday von der Universität Birmingham. Aus diesem emittierten Licht lässt sich die Elektronenbewegung und damit auch Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit mit atomarer Präzision bestimmen. „Der entscheidende Punkt ist, dass wir nicht mehr durch die räumliche Ausdehnung des Lichts begrenzt sind“, erklärt Valentin Bergbauer von der Universität Regensburg. „Stattdessen messen wir direkt quantenmechanische Elektronenbewegungen auf atomaren Längenskalen – ein echter Quantensprung, der die Auflösung optischer Mikroskopie im Vergleich zu herkömmlichen lichtbasierten Mikroskopen um nahezu den Faktor hunderttausend verbessert.“
Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Effekt mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser beobachtet werden kann. Leistungsstarke und teure ultraschnelle Lasersysteme, die bislang als notwendig galten, sind somit nicht erforderlich. Dadurch wird die Methode technisch einfacher zugänglich und könnte künftig in vielen Laboren weltweit eingesetzt werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass optische Messungen heute in Dimensionen vorstoßen können, die lange als unerreichbar galten. Möglich wird dies durch die präzise Kontrolle atomar scharfer Spitzen. Perspektivisch eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Atome zu untersuchen und besser zu verstehen, wie Prozesse auf den kleinsten Skalen die makroskopischen Eigenschaften von Materialien bestimmen.
Bildunterschrift:
Künstlerische Darstellung des mikroskopischen Mechanismus der nahfeldoptischen Tunnel-Emission: Laserlicht versetzt Elektronen (helle Kugeln) in eine hin- und hergehende Bewegung zwischen dem Apex-Atom einer scharfen metallischen Spitze (oben) und der Probe (unten). Dabei entsteht elektromagnetische Strahlung, die eine rein optische Mikroskopie mit atomarer Auflösung ermöglicht.
© Brad Baxley, PtW
Dr. Markus Huber
Fakultät für Physik
Universität Regensburg
Telefon: +49 941 943 2064
E-Mail: markus.huber@ur.de
Felix Schiegl, Valentin Bergbauer, Svenja Nerreter, Valentin Giessibl, Fabian Sandner, Franz J. Giessibl, Yaroslav. A. Gerasimenko, Thomas Siday, Markus A. Huber & Rupert Huber, Atomic-Scale Optical Microscopy with Continuous-Wave Mid-Infrared Radiation.
In: Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05319
Künstlerische Darstellung des mikroskopischen Mechanismus der nahfeldoptischen Tunnel-Emission.
Quelle: Brad Baxley, PtW
Copyright: Brad Baxley, PtW
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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